电力系统继电保护第四章输电线路的纵联保护.ppt

第四章输电线路的纵联保护 问题的提出在220kV及以上系统中 为满足稳定性要求 在线路上发生故障时 要求全线速动 即无时限切除任意一点故障 快速切除故障 以满足系统稳定性要求 第一节输电线路纵联保护概述 反应单侧电源电气量的保护 电流 电压和距离保护 无法实现全线速动 无法识别线路末端和下条线路始端的故障 为保证选择性 就必须延时 电流保护 距离保护 I段只保护线路的80 85 对其余的15 20 线路故障 只能靠带延时0 5s时间的II段来保护 对高压输电线路不能满足系统稳定性的要求 需要寻求新的能保护线路全长的保护 如何保证瞬时切除高压输电线路故障 解决办法 获取对侧的电气量信息 判断故障是否在保护区内 采用线路纵联保护 分析 讨论特征的目的 寻找内部故障与其他工况 正常运行 外部故障 的特征区别和差异 提取判据 构成继电保护原理 两侧电气量的特征 当然 构成原理后 再分析影响因素 并研究消除影响因素的对策 措施 需要权衡利弊后 再确定是否采用 归纳 正常运行或外部故障 内部故障 方向元件 两侧均为正 阻抗元件 一侧为正一侧为负 一侧动作一侧不动作 两侧均动作 希望动作 希望不动 特征分界 如何应用这些特征 后面陆续予以介绍 电流相位 相位差 接近同相 纵联保护 用某种通信信道将输电线路两端的保护装置纵向联结起来 将一端电气量 电流 功率方向等 传到对端进行比较 判断故障在本线路范围内还是范围之外 从而决定是否切除被保护线路 可以实现本线路全长范围内任意一点故障的零秒切除的保护 纵联保护没有后备保护功能 纵联保护分类 单元式保护 输电线路作为一个被保护单元 从输电线路的每一端采集电气量的测量值 通过通信通道传送到其他各端 在各端将这些测量值进行直接比较 以决定保护装置是否应该动作跳闸 比如 相位差动保护 电流差动保护 非单元式保护 在输电线路各端对某种或几种电气量进行测量 但并不将测量值直接传送到其他各端直接进行比较 而是传送根据这些测量值得到的对故障性质 如故障方向 故障位置 的某种判断结果 比如 方向比较式纵联保护 距离纵联保护 欧洲普遍应用 纵联保护分类 任何纵联保护都是依靠通信通道传送的某种信号来判断故障的位置是否在被保护线路内 一套完整的纵联保护包括两端继电保护装置 通信设备和通信通道 信号 闭锁信号 收不到这种信号是保护动作跳闸的必要条件允许信号 收到这种信号是保护动作跳闸的必要条件跳闸信号 收到这种信号是保护动作于跳闸的充要条件 纵联保护信号传输方式 1 以导引线作为通信通道 纵联差动保护 2 电力线载波 高频保护 方向高频保护 相差高频保护 其中方向高频保护又包括高频闭锁方向保护 高频闭锁负序方向保护 高频闭锁距离保护 3 微波 微波保护 长线路 需要中继站 纵联保护按通道类型分类 A 按通信通道分 1 导引线通道 需要沿线铺设导引线电缆传送电气量信息 其投资随线路的长度而增加 此外 导引线越长 其自身安全性越低 用于短线路 2 电力线载波通道 利用输电线路本身作为通信通道 不需专门架设通信通道 应用广泛 注意 线路发生故障时通道可能遭到破坏 纵联保护的分类 3 微波通道 是一种多路通信通道 频带宽 可传送交流电的波形 是理想的通道 但保护专用微波通道是不经济的 4 光纤通道 采用光纤作为通信通道 目前超高压线路在架线时已同时架设光纤通道 所以 已被越来越多的超高压线路采用 B 按保护动作原理分 1 方向比较式纵联保护 两侧的保护装置将本侧的功率方向 测量阻抗是否在规定的方向 区段内的判别结果传送到对侧 每侧保护装置根据两侧的判别结果 区分是区内故障还是区外故障 传送的是逻辑信号 而非电气量本身 分为方向纵联保护和距离纵联保护 2 纵联电流差动保护 将本侧电流的波形或代表电流相位的信号传送到对侧 两侧同时比较后区分是区内故障还是区外故障 在每侧直接比较两侧的电气量 要求两侧信息同步采集 分为纵联电流差动保护和纵联电流相位差动保护 4 2输电线路纵联保护两侧信息的交换 输电线路纵联保护需要通过通信设备和通信通道快速地进行信息传递 目前常用的通信方式有 导引线通信电力线载波通信微波通信光纤通信 1导引线通信 利用铺设在输电线路两端变电站之间的二次电缆传递被保护线路各侧信息的通信方式称之为导引线通信 以导引线为通道的纵联保护称为导引线纵联保护 优点 不受系统振荡的影响 不受非全相的影响 简单可靠缺点 导引线不能太长 保护原理 电流差动原理 2电力线载波通道 高频 将线路两端的电流相位 或功率方向 信息转变为高频信号 经过高频耦合设备将高频信号加载到输电线路上 输电线路本身作为高频信号的通道将高频载波信号传输到对侧 对端再经过高频耦合设备将高频信号接收 以实现各端电流相位 或功率方向 的比较 称为高频保护 根据通道的构成 输电线路载波通信分为 相 相 式连接在两相导线之间 相 地 式连接在输电线一相导线和大地之间 1 输电线路载波通信的构成 1 阻波器 阻波器是由一电感线圈与可变电容器并联组成的回路 当并联谐振时 它所呈现的阻抗最大 1000 以上 利用这一特性 使其谐振频率为所用的载波频率 这样的高频信号就被限制在被保护输电线路的范围以内 而不能穿越到相邻线路上去 但对工频电流而言 阻波器仅呈现电感线圈的阻抗 数值很小 约为0 04 左右 并不影响它的传输 2 耦合电容器 滤波 隔工频 耦合电容器与连接滤波器共同配合 将载波信号传递至输电线路 同时使高频收发信机与工频高压线路绝缘 由于耦合电容器对于工频电流呈现极大的阻抗 故由它所导致的工频泄漏电流极小 3 连接滤波器连接滤波器由一个可调节的空心变压器及连接至高频电缆一侧的电容器组成 耦合电容器与连接滤波器共同组成一个四端网络的 带通滤波器 使所需频带的高频电流能够通过 空心变压器进一步使收 发信机与输电线路高压部分隔离 提高了安全性 4 保护间隙 高频通道的辅助设备 用它保护高频收发信机和高频电缆免受过电压的冲击 5 接地开关 也是高频通道的辅助设备 在调整或维修高频收发信机和连接滤波器时 将它接地 以保证人身安全 6 高频电缆 将位于主控室的高频收发信机与户外变电站的连接滤波器连接起来 7 高频收 发信机发信机部分系由继电保护来控制 通常都是在电力系统发生故障时 保护部分启动之后它才发出信号 由发信机发出的信号 通过高频通道送到对端的收信机中 也为自己的收信机所接收 高频收信机接收本端和对端所发送的高频信号 经过比较判断之后 再动作于继电保护 使之跳闸或将它闭锁 2 电力线载波通道的特点通道传输的信号频率范围 50 400kHz 1 无中继通信距离长 几百公里 2 经济 使用方便 3 工程施工比较简单 4 高压输电线路的电晕 短路 开关操作都会对载波通信造成干扰 一般用于传递状态信号 常用于构成方向比较式纵联保护和电流相位比较式纵联保护 3 电力线载波通道的工作方式三种 正常无高频 正常有高频 移频方式 1 正常时无高频电流方式 短时发信 在正常条件下发信机不工作 通道中没有高频电流 只在电力系统发生故障期间才由起动元件起动发信 需定期检查高频通道是否完好 手动或自动 2 正常时有高频电流方式 长时发信 在正常工作条件下发信机始终处于发信状态 沿高频通道传送高频电流 优点 高频通道部分经常处于监视的状态 可靠性高 且无需收 发信机启动元件 简化装置 缺点 经常处于发信状态 增加了对其他通信设备的干扰时间 也易受外界高频信号干扰 应具有更高的抗干扰能力 3 移频方式在正常工作条件下 发信机向对侧传送频率为f1的高频电流 当发生故障时 继电保护装置控制发信机移频 停止发送频率为f1的高频电流 而发出频率为f2的高频电流 优点 能监视通道工作情况 提高可靠性 抗干扰能力强 缺点 占用的频带宽 通道利用率低 电力线载波通道的工作方式我国常用正常无高频电流方式 高频电流频率分为单频制和双频制 单频制 应用于闭锁式保护双频制 应用于允许式保护 电力线载波信号的种类按高频载波通道在纵联保护中的作用 将载波信号分为闭锁信号 允许信号 跳闸信号 闭锁信号 收到高频信号时 阻止本端保护动作于跳闸 即没有收到高频电流信号是保护作用于跳闸的必要条件 允许信号 收到高频信号时 允许本端保护动作于跳闸 即收到高频电流信号是本端保护作用于跳闸的必要条件 跳闸信号 收到高频信号时 可直接动作于跳闸 在不知对端信息的情况下即可跳闸 则本侧和对侧的保护元件必须具有区分区内故障和区外故障的能力 如距离I段 零序电流I段等 只有在两端保护的I段有重叠区时才能实现全线速动 3微波通信 频段为300 30000MHz 超短波的无线电波 频带宽 信息传输容量大 传输距离不超过40 60km 距离较远时 要装设微波中继站 以增强和传递微波信号 通信速率快 可用于纵联电流差动原理的保护 4光纤通信 1 光纤通信的构成光发射机 光纤 中继器和光接收机 2 光纤通信的优点通信容量大 节约大量金属材料 抗干扰性能好等 光信号在光导纤维内传输具有衰耗低 抗干扰能力强 通信容量大 比微波通信提高10万倍以上等优点 目前光纤通信使用的波长为0 85um 1 31um 1 55um 光纤分多模光纤和单模光纤 后者比前者特性好 衰减小 频带宽适用于大容量远距离的通信系统 光纤具有宽带 远距离传输能力强 保密性好 抗干扰能力强等优点 是未来通信网的主要实现技术 继电保护通信通道的选择原则 优先考虑采用光纤通道其他 一 概念以正常无高频电流而在区外故障时发出闭锁信号的方式构成 此闭锁信号由短路功率为负的一侧发出 这个信号被两端的收信机所接收 而把保护闭锁 故称闭锁式方向纵联保护 高频闭锁方向保护 4 3方向比较式纵联保护 两侧功率方向的故障特征 1 正常运行 2 外部短路 3 内部短路 为正 为负 对BC线路 保护3和保护4的功率方向都为正 保护应动作于跳闸 二 基本原理 B侧的功率方向为负 该侧发出高频闭锁信号 被对侧和本侧保护接收 保护1 2均不动 高频信号 对AB线路 二 基本原理 C侧的功率方向为负 该侧发出高频闭锁信号 被对侧和本侧保护接收 保护5 6均不动 对CD线路 高频信号 二 基本原理 高频信号 高频信号 区外故障时 由短路功率为负的一端发闭锁信号 此信号被两端的收信机接收闭锁保护 对于故障线路 两侧保护均为正 不发闭锁信号 故两侧保护都收不到闭锁信号而动作于跳闸 二 基本原理 优点 由于利用非故障线路的一端发闭锁信号 闭锁非故障线路不跳闸 而对于故障线路跳闸不需要闭锁信号 所以在区内故障伴随通道破坏时 保护仍能可靠跳闸 二 闭锁式方向纵联保护的原理接线图 1 电流起动方式 功率方向元件 高定值电流启动停信元件 低定值电流启动发信元件 延时动作瞬时返回元件 瞬时动作延时返回元件 I1低定值起动元件 灵敏度较高 起动发信机发信 I2高定值起动元件 灵敏度较低 起动保护的跳闸回路 采用两个灵敏度不同的起动元件 灵敏度高的起动发信机发闭锁信号 灵敏度低的起动跳闸回路 以保证在外部故障时 远离故障点侧起动元件开放跳闸时 近故障点侧起动元件肯定能起动发信机发闭锁信号 S 功率方向元件 判断短路功率的方向 t1延时返回元件 外部故障切除后 保证近故障点侧继续发信t1时间 避免高频闭锁信号过早解除而造成远离故障点侧保护误动 t3延时动作元件 防止外部故障时 远离故障侧的保护在未收到近故障点侧发送的高频闭锁信号而误动 要求延时t2大于高频信号在保护线路上的传输时间 内部故障 外部故障 近故障点 外部故障 远故障点 时间的说明 若闭锁信号是对端发出的 该信号需经发收信机和高频通道等环节才能传送到本端 会有一定的延时 而本端反向元件的判定是独立完成的 因此两者之间有时间上的配合问题 需经t2延时动作于跳闸 近故障点 功率方向为反方向 一端的保护要及时发出信号并保持发信状态 故障切除后 需经t1延时后再停止发信 即 使远故障点 正方向 一端的方向元件返回慢 也能靠闭锁 防止误动作 方向比较式纵联保护全线速动 但不能作为变电站母线和下级线路的后备 距离保护可以作为变电站母线和下级线路的后备 而且其中的主要元件 启动元件 方向阻抗元件等 也可作为实现闭锁式纵联保护的元件 但距离保护无法实现全线速动 能不能把两者结合起来 取两者的优点 可以 做成闭锁式距离纵联保护 又称为高频闭锁距离保护 使得内部故障时能够瞬时动作 而在外部故障时具有不同的时限特性 起到后备保护的作用 4 3 3闭锁式距离纵联保护 方向判别 1 超范围的方向阻抗元件 称为 闭锁式纵联距离 2 超范围的功率方向元件 称为 闭锁式纵联方向 重点介绍常用的闭锁式纵联距离 两侧测量阻抗的故障特征 1 正常和区外故障 一侧阻抗可能动作 另一侧阻抗不动作 2 区内故障 两侧阻抗均动作 一 闭锁式距离纵联保护 闭锁式距离纵联保护是距离保护与电力线载波通道相结合 利用收发信机的高频信号传送对侧保护的测量结果 两端同时比较两侧距离保护的测量结果 实现内部故障瞬时切除 区外故障不动作 以两端距离III段作为故障起动元件 以两端距离II段作为方向判别元件和停信元件 若两端距离II动作且收不到闭锁信号 表明线路内部故障 立即跳闸 距离 段作为两端各自独立跳闸段 构成 两端完整的三段式距离保护 高频通信部分距离I段 作为两端各自的独立跳闸段距离III段 作为启动发信元件 灵敏度高距离II段 作为方向判别和停信元件 距离三段整定计算方法相同 区别 距离II段增加了瞬时动作的与门元件 当本端II段动作且收不到闭锁信号时 立即跳闸 注意 距离III段作为启动元件 其保护范围应超过正 反方向相邻线末端母线 一般无方向性 高频闭锁距离保护原理接线图 独立跳闸元件 方向判定元件和停信元件 启动发信元件 延时动作瞬时返回元件 瞬时动作延时返回元件 高频闭锁距离保护原理接线图 核心变化 距离II段的跳闸时间元件增加了瞬时动作的与门元件 实现了纵联保护瞬时切除全线任意点短路的速动功能 高频闭锁距离保护工作原理 内部故障 两侧ZII动作停信 均收不到闭锁信号 II段快速动作于跳闸 外部故障 近故障侧ZII不动作 反方向 不停信 远故障侧ZII动作停信 两侧均收到闭锁信号 切断II段瞬时跳闸回路 只能通过tII延时跳闸 保证了选择性 M侧保护 N侧保护 阻抗动作信息的交换 利用这样的特征 回顾 区内短路 两侧Z均动作 需要2个独立的信号交换 上述结构称为 允许式 M侧保护 N侧保护 1 区内故障 启动 Z均动作 两侧无延时跳闸 简述信号交换与逻辑的过程 阻抗动作信息的交换 M侧保护 N侧保护 1 区内故障 启动 Z均动作 两侧无延时跳闸 简述信号交换与逻辑的过程 阻抗动作信息的交换 至少一侧的Z不动 两侧均不跳闸 M侧保护 N侧保护 阻抗动作信息的交换 2 区外故障 简述信号交换与逻辑的过程 上述方式利用了距离II段 或III段等全线路有灵敏度 的测量元件 实现短路位置 方向的判别 构成 距离纵联保护 也可以将Z元件更换为方向元件 构成 方向纵联保护 距离纵联 方向纵联保护中 对方向元件的要求 1 具有明确的单一方向性 2 能覆盖线路全长 闭锁两侧保护 M侧保护 N侧保护 还可以利用这样的特征 区外短路时 至少有一侧为负 或不动 上述结构称为 闭锁式 仅传输一个信号 信号 1 闭锁两侧保护 区外短路时 至少有一侧为负 或不动 1 上图所示的区外故障 闭锁两侧保护 M侧Z不动 持续发闭锁信号 两侧均不跳 N侧Z动也无效 信号线有 1 闭锁两侧保护 区外短路时 至少有一侧为负 或不动 2 区内故障 信号线有 1 闭锁两侧保护 区外短路时 至少有一侧为负 或不动 2 区内故障 信号线 1 闭锁两侧保护 区外短路时 至少有一侧为负 或不动 2 区内故障 通道上 无闭锁信号 两侧均满足跳闸条件 一 两侧电流相量和 瞬时值和 的故障特征基尔霍夫电流定律 在一个节点中 流入的电流等于流出的电流 按照继电保护规定的正方向 指向被保护元件 那么 基尔霍夫电流定律可以修改为 在任何一个节点中 流入的电流之和等于0 下面 用图例说明 4 4纵联电流差动保护 基尔霍夫电流定律 此式表明 流入节点的电流之和等于0 按照继电保护规定的正方向 得 就构成了继电保护原理 电流差动保护 广泛应用于各种设备的保护 基尔霍夫电流定律的拓展 将节点拓展为一个封闭区域 二者区别很大 被保护设备 设计区别的门槛 应当是 电流和保护 即 从负荷 或外部短路 电流的特征看 电流差动 名称的来历 与规定方向有关 即电流差 0 按继电保护规定的正方向 或计算原理 但是 习惯成俗 仍然称为 差动保护 若有电流差 就动作 I 一 导引线纵联电流差动保护的工作原理 正常运行或区外故障 不动作 I 一 导引线纵联电流差动保护的工作原理 区内故障 动作 1 环流法 跳闸 不动作 I 电流综合器 内部故障时 外部故障或正常负荷时 在导引线内部形成环流而得名 二 导引线纵联差动保护的接线 a 环流法 在保护范围内部故障时 环流式纵联差动保护反应于故障点的总电流而动作 2 均压法 内部故障时 TSm与TSn之间二次侧有电流 TSm TSn的原边有较大电流 起动继电器跳闸 外部故障或正常负荷时 TSm与TSn之间无电流流过 处于电压平衡状态 因此得名 不会起动继电器跳闸 b 均压法 在保护范围内部故障时 均压式纵联差动保护比较导引线两端电压而动作 两侧电流互感器二次阻抗及互感器本身励磁特性不一致 在正常运行及外部故障时 差回路中电流不为零 此电流称为不平衡电流 不平衡电流对纵联差动保护的影响 I 不平衡电流对纵联差动保护的影响 区外故障时 由于 的传变误差使 为了保证纵